(57)【要約】【目的】圧縮荷重が負荷された場合、単位重量当たりの平均荷重が高くなるような蛇腹変形形態となり、優れたエネルギー吸収能力を達成することを可能とする軽量なアルミニウム合金製自動車フレーム用エネルギー吸収部材を提供する。【構成】調質された熱処理型アルミニウム合金中空形材からなり、該中空形材は１つの中空部を有する断面正方形または長方形で、２ｍｍを越える肉厚をそなえ、中空部を除く断面積は３５０ｍｍ2 以上のものであり、中空形材の断面における各辺の平均長さをａ、コーナー部の半径をＲ、各辺の平均肉厚をｔとしたとき、０＜Ｒ／ａ≦０．２、ｔ／ａ≦０．２、Ｒ／ａ＜５×（ｔ／ａ）−０．３７の関係を満足することを特徴とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
調質された熱処理型アルミニウム合金中空形材からなり、該中空形材は１つの中空部を有する断面正方形または長方形で、２ｍｍを越える肉厚をそなえ、中空部を除く断面積は３５０ｍｍ2 以上のものであり、中空形材の断面における各辺の平均長さをａ、コーナー部の半径をＲ、各辺の平均肉厚をｔとしたとき、０＜Ｒ／ａ≦０．２、ｔ／ａ≦０．２、Ｒ／ａ＜５×（ｔ／ａ）−０．３７の関係を満足することを特徴とするアルミニウム合金製自動車フレーム用エネルギー吸収部材。
【請求項２】
前記中空形材に対して圧縮荷重を負荷したときの該圧縮荷重の平均値と中空形材の断面積の比、（平均圧縮荷重／中空形材断面積）が１３０〜２８０Ｎ／ｍｍ2 であることを特徴とする請求項１記載のアルミニウム合金製自動車フレーム用エネルギー吸収部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム合金製自動車フレーム用エネルギー吸収部材、詳しくは、自動車が衝突した場合の衝突エネルギーを吸収して搭乗者の安全を確保するために、車体の上部構造などに取付けられるアルミニウム合金中空形材製の自動車フレーム用エネルギー吸収部材に関する。
【０００２】
従来、衝突時のエネルギーを吸収して搭乗者の保護を図るためのエネルギー吸収部材は、鋼の板材をプレス成形し、スポット溶接などにより箱形状に形成されている。この部材は、衝撃により縦方向の圧縮荷重を受けた場合、図７の圧縮荷重−部材変位線図に示すように、最大圧縮荷重に達すると急速に荷重が減少し、部材の端部から蛇腹状に変形し、塑性座屈が進行して衝撃エネルギーを吸収する。この場合、圧縮荷重−部材変位線図における平均圧縮荷重（以下、単に平均荷重という）が高いほど、より多くのエネルギーを吸収することが可能である。
【０００３】
近年、環境問題から自動車車体重量の軽減が提唱されており、車体構成部材である衝撃エネルギー吸収部材についても、従来の鋼板製の箱形部材に代わり、さらに軽量で且つエネルギー吸収の高い部材が要求され、この要求を満たすためにアルミニウム合金の使用が試みられている。アルミニウム合金中空形材をエネルギー吸収部材として使用する場合、単位重量当たりの平均荷重を大きくして優れたエネルギー吸収効率を得るためには、平均荷重と中空形材の断面積の比、（平均荷重／中空形材断面積）が高い方が望ましい。
【０００４】
アルミニウム合金形材製エネルギー吸収部材において、（平均荷重／中空形材断面積）の増大、すなわち単位重量当たりの平均荷重を大きくするために、アルミニウム合金押出角管の角部の内側肉厚を辺部の肉厚より大きくする方法（特許文献１参照）、中空矩形断面のアルミニウム合金押出形材の壁面部の外側に矩形断面の凸部を設け、軸方向から加えられる衝撃荷重を変形エネルギーに変換し、より少ない重量増加でエネルギー吸収量の増大を図る方法（特許文献２参照）が提案されている。また、低速衝突時の形材の横折れ変形を防止して高いエネルギー吸収性能を発揮するために、形材断面の一辺の平均長さ、形材の平均厚さ、形材の長さの関係を特定する手法も提案されている（特許文献３参照）。
【０００５】
また、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金からなる断面矩形状の中空押出材において、四辺の最大肉厚と最小肉厚の肉厚比を１〜１．４、幅厚比（平均肉厚／各辺の平均幅（＝長さ））を０．１以下とすることにより、軸圧壊特性に優れたエネルギー吸収部材（特許文献４参照）、１〜ｎ個の矩形中空部を有する中空押出形材からなるフレームにおいて、フレームの形状、サイズと吸収エネルギーの関係式から、矩形断面の縦（＝幅）、横（＝高さ）、厚さ等を計算、設計することを可能とする自動車用フレーム材（特許文献５参照）も提案されている。
【０００６】
しかしながら、上記のエネルギー吸収部材においては、四辺形断面の中空押出形材に圧縮荷重を加えた場合、図６(a) 〜図６(d) に示すように、同一断面内の隣り合った辺が互い違いに屈曲（外側と内側に変形）することを繰り返しながら蛇腹変形するため（図６(a)の二つの断面形状参照）、蛇腹変形を繰り返す毎に荷重が低下することが避けられず、単純な等肉厚の四辺形断面の中空押出形材と比較すると、（平均荷重／中空形材断面積）は大きくなるがエネルギー吸収効率の上昇量は十分でない。
【特許文献１】特開２００１−１９９３５９号公報
【特許文献２】特開２００２−１２１６５号公報
【特許文献３】特開２００１−１０６０００号公報
【特許文献４】特開平１１−１９３４３３号公報
【特許文献５】特開平８−３１０４４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
発明者らは、四辺形断面のアルミニウム合金押出形材からなるエネルギー吸収部材において、従来提案されているエネルギー吸収部材をベースとして、肉厚、各辺の長さや断面積等と吸収エネルギー、変形形態の関係について再検討を加えた結果、四辺形断面のコーナー部にＲを設け、Ｒ、各辺の肉厚、各辺の長さの関係を特定することにより、図５(a) 〜図５(d) に示すように、同一断面内の全ての辺が同じ方向に屈曲、すなわち、全ての辺が外側に変形することにより断面形状が円形となる、あるいは全ての辺が内側に変形することを繰り返しながら蛇腹変形する変形形態となり（図５(a)の二つの断面形状参照）、この特定された範囲においては、蛇腹変形中にコーナー部を押し拡げるような荷重が必要となるため、平均荷重が大幅に上昇し、（平均荷重／中空形材断面積）の値、すなわち単位重量当たりの平均荷重が高くなって、エネルギー吸収効率に優れたものとなることを見出した。
【０００８】
本発明は、上記の知見に基づいて、さらに試験、検討を加えた結果としてなされたものであり、その目的は、圧縮荷重が負荷された場合、単位重量当たりの平均荷重が高くなるような蛇腹変形形態となり、優れたエネルギー吸収能力を達成することを可能とする軽量なアルミニウム合金製自動車フレーム用エネルギー吸収部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するための本発明の請求項１によるアルミニウム合金製自動車フレーム用エネルギー吸収部材は、調質された熱処理型アルミニウム合金中空形材からなり、該中空形材は１つの中空部を有する断面正方形または長方形で、２ｍｍを越える肉厚をそなえ、中空部を除く断面積は３５０ｍｍ2 以上のものであり、中空形材の断面における各辺の平均長さをａ、コーナー部の半径をＲ、各辺の平均肉厚をｔとしたとき、０＜Ｒ／ａ≦０．２、ｔ／ａ≦０．２、Ｒ／ａ＜５×（ｔ／ａ）−０．３７の関係を満足することを特徴とする。
【００１０】
請求項２によるアルミニウム合金製自動車フレーム用エネルギー吸収部材は、請求項１において、前記中空形材に対して圧縮荷重を負荷したときの該圧縮荷重の平均値と中空形材の断面積の比、（平均圧縮荷重／中空形材断面積）が１３０〜２８０Ｎ／ｍｍ2 であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、圧縮荷重が負荷された場合、単位重量当たりの平均荷重が高くなるような蛇腹変形形態となり、優れたエネルギー吸収能力を達成することを可能とする軽量なアルミニウム合金製自動車フレーム用エネルギー吸収部材が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明によるアルミニウム合金製自動車フレーム用エネルギー吸収部材は、調質された熱処理型アルミニウム合金中空形材からなる。熱処理型アルミニウム合金としては、例えばＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金が適用され、これらのアルミニウム合金は押出後の調質としてＴ５処理あるいはＴ６処理を施すのが好ましい。
【００１３】
中空形材は、図１に示すように１つの中空部を有する断面正方形、または図２に示すように１つの中空部を有する長方形で、断面が田型や日型のものは含まない。中空形材の肉厚ｔ1 、ｔ2 は２ｍｍを越え、中空部を除く断面積は３５０ｍｍ2 以上のものであり、中空形材の断面における各辺の平均長さをａ（＝（ａ1 ＋ａ2 ）／２）、コーナー部の半径をＲ、各辺の平均肉厚をｔ（＝（ｔ1 ＋ｔ2 ）／２）としたとき、０＜Ｒ／ａ≦０．２、ｔ／ａ≦０．２、Ｒ／ａ＜５×（ｔ／ａ）−０．３７の関係を満足することを特徴とする。
【００１４】
コーナー部の半径Ｒと各辺の平均長さａの比（Ｒ／ａ）は０．２以下とするのが好ましく、０．２を越えると、中空形材の断面形状が円形または楕円形に近くなって断面２次モーメントが小さくなり、横折れ変形（オイラー座屈）が生じ易くなる。
【００１５】
各辺の平均肉厚ｔと平均長さａとの比（ｔ／ａ）は０．２以下とするのが好ましく、０．２を越えると、肉厚が大きくなって蛇腹変形時に中空形材に発生する応力が大きくなり、割れが生じ易くなる。ｔ／ａのより好ましい範囲は０．０７５〜０．２、最も好ましい範囲は０．１を越え０．２以下である。
【００１６】
本発明においては、コーナー部の半径をＲ、各辺の平均長さをａ、各辺の平均肉厚をｔとしたとき、Ｒ／ａ＜５×（ｔ／ａ）−０．３７の関係を満足することは重要である。本発明におけるｔ／ａとＲ／ａの関係を図３に示す。図３の発明の範囲に寸法設計された中空形材において改善されたエネルギー吸収効率が得られる。コーナー部の半径Ｒは０．５ｍｍ以上、好ましくは１．０ｍｍ以上とする。Ｒが０．５ｍｍ未満では押出速度が低下し、生産性の点から自動車フレーム用エネルギー吸収部材として適切ではない。
【００１７】
中空形材の肉厚ｔ1 、ｔ2 は２．０ｍｍを越える厚さとするのが好ましく、２．０ｍｍ以下では、Ｒ／ａ＜５×（ｔ／ａ）−０．３７の関係式を満足させるには、平均長さａを少なくとも２／０．０７５（≒２７ｍｍ）以下とする必要があり、中空形材の外寸が小さくなって、曲げ剛性の不足や取付け上の問題が生じるため、自動車フレーム用エネルギー吸収部材として適切ではない。
【００１８】
中空形材の中空部を除く断面積は３５０ｍｍ2 以上とすることが望ましい。断面積が３５０ｍｍ2 未満では、単位重量当たりの平均荷重（平均圧縮荷重／中空形材断面積）が高くなっても、平均荷重そのものが小さいため、十分なエネルギー吸収性能を得ることができない。
【実施例１】
【００１９】
以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明する。なお、これらの実施例は、本発明の一実施態様を示すものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２０】
Ｓｉ：０．４５％（質量％、以下同じ）、Ｆｅ：０．２０％、Ｍｎ：０．０４％、Ｍｇ：０．６５％を含み、残部Ａｌおよび不純物からなるアルミニウム合金のビレットを、押出温度４８０℃で図１〜２に示すような四辺形断面を有する中空形材に押出加工し、押出加工後、Ｔ６調質して長さ２００ｍｍに切断し、試験材とした。これらの試験材の寸法、中空部を除く断面積を表１に示す。
【００２１】
得られた試験材について、試験速度１ｍｍ／秒で静的軸圧縮試験を行った。インストロン型万能試験機の台座に各試験材を設置して、加圧盤により圧縮荷重を負荷し、加圧盤にかかる荷重−変位線図を記録した。なお、使用する試験機は、圧縮荷重を負荷することが可能であれば、どのような試験機を使用しても同様の結果が得られること、また試験機台座と加圧盤は、試験材への接触面が平行であれば、形状にかかわらず同様な結果が得られることが確認されている。
【００２２】
試験結果を表１および図４に示す。本発明に従う試験材Ｎｏ．１〜５はいずれも、図５(a) 〜図５(d) に示すように、同一断面内の全ての辺が同じ方向に屈曲（全ての辺が外側に変形することにより断面形状が円形となる、あるいは全ての辺が内側に変形して全ての辺が凹形状となる）することを繰り返しながら蛇腹変形し、単位重量当たりの平均荷重Ｆ（平均圧縮荷重／中空形材断面積）が高くなって優れたエネルギー吸収特性を有することが確認された。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
これに対して、試験材Ｎｏ．６は、肉厚が２．０ｍｍで、且つＲ／ａ＜５×（ｔ／ａ）−０．３７の関係式を満足せず、試験材Ｎｏ．７は、Ｒ／ａ＜５×（ｔ／ａ）−０．３７の関係式を満足しないため、いずれも（平均圧縮荷重／中空形材断面積）の値Ｆが小さくなり、十分なエネルギー吸収能力を有していない。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明によるエネルギー吸収部材の実施例を示す断面図である。
【図２】本発明によるエネルギー吸収部材の他の実施例を示す断面図である。
【図３】本発明におけるｔ／ａとＲ／ａの関係を示す図である。
【図４】本発明の実施例による試験材の（平均圧縮荷重／中空形材断面積）の値を比較して示すグラフである。
【図５（ａ）】本発明によるエネルギー吸収部材の蛇腹変形の形態を示す概略説明図である。
【図５（ｂ）】同じく平面図である。
【図５（ｃ）】同じく正面図である。
【図５（ｄ）】同じく側面図である。
【図６（ａ）】従来のエネルギー吸収部材の蛇腹変形の形態を示す概略説明図である。
【図６（ｂ）】同じく平面図である。
【図６（ｃ）】同じく正面図である。
【図６（ｄ）】同じく側面図である。
【図７】中空状のエネルギー吸収部材が衝撃により縦方向の圧縮荷重を受けた場合における圧縮荷重−部材変位線図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５（ａ）】
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【図５（ｂ）】
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【図５（ｃ）】
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【図５（ｄ）】
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【図６（ａ）】
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【図６（ｂ）】
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【図６（ｃ）】
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【図６（ｄ）】
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【図７】
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